CN101552033B - 磁性存储装置及其驱动方法和信息写入读取方法 - Google Patents

磁性存储装置及其驱动方法和信息写入读取方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供磁性存储装置及其驱动方法和信息写入读取方法。所述磁性存储装置包括下结构或反铁磁层以及形成在下结构或反铁磁层上的固定层、信息存储层、自由层。在操作磁性存储装置的方法中，在沿第一磁化方向设置自由层的磁化方向之后，从信息存储层读取信息或将信息存储到信息存储层。当第一磁化方向与固定层的磁化方向相对时存储信息，且当第一磁化方向与固定层的磁化方向相同时读取信息。

Description

磁性存储装置及其驱动方法和信息写入读取方法
技术领域
示例实施例涉及磁性存储装置、驱动所述磁性存储装置的方法、所述磁性存储装置的数据写入和读取方法，更具体地讲，涉及可以使磁电阻(MR)的减小减轻或最小化和/或可以减小临界电流密度(Jc)的磁性存储装置、驱动所述磁性存储装置的方法、所述磁性存储装置的数据写入和读取方法。
背景技术
随着信息产业的发展，需要对相对大量的信息进行处理。因此，对于能够存储相对大量的信息的数据存储介质的需求正在持续地增加。随着对于数据存储介质的需求的增加，已经开展了关于具有相对高的数据存储速度的相对小尺寸的信息存储介质的研究。作为这样的研究的结果，已经开发出了各种信息存储设备。
信息存储设备是易失性信息存储设备或非易失性信息存储设备。在易失性信息存储设备的情况下，当关断电源时存储的信息被擦除。易失性信息存储设备的写入和读取速度高于非易失性信息存储设备的写入和读取速度。在非易失性信息存储设备的情况下，即使关断电源存储的信息也没有被擦除。
动态随机存取存储器(DRAM)是传统的易失性信息存储设备的示例。硬盘驱动器(HDD)和随机存取存储器(RAM)是传统的非易失性信息存储设备的示例。作为一种易失性信息存储设备，磁性随机存取存储器(MRAM)利用基于自旋相关电子传输现象的磁电阻效应。
传统的磁性存储装置利用由流过传统的磁性存储装置的位线和字线的电流产生的磁场来切换存储单元的自由层的磁化方向。然而，这样的方法存在下面的缺点。
当减小单位单元的尺寸以实现相对高密度的存储装置时，自由层的矫顽性增加。结果，切换场(switching field)增加。因此，施加的电流的幅值会增加。此外，因为在存储阵列结构中包括了相对大量的存储单元，所以不期望的单元的自由层会被切换。因此，利用磁场进行切换的传统的磁性存储装置具有相对低的选择性，并会难以实现高密度的存储装置。
利用自旋转移扭矩(spin transfer torque，STT)现象的磁性存储装置可以解决上述在高密度、选择性、和高写入电流方面的缺点，因此，已经展开了关于利用STT现象的磁性存储装置的很多研究。在这样的传统方法中，通过使自旋被沿一定方向极化的电流在磁性存储装置中流动，来利用电子的自旋转移，将磁性存储装置的自由层切换为期望的方向。这样的传统方法优点在于实现了相对高的密度，这是因为随着单元尺寸的减小所需电流是相对小的。然而，对于利用STT现象的磁性存储装置来说，切换所述磁性存储装置所需的临界电流密度太大以至于不能商业化，因此，已经展开了为了减小利用STT现象的磁性存储装置的临界电流密度的研究。
下面提出了减小临界电流密度的多种方法。
在一个示例中，通过增加输入电流的极化因子(polarization factor)，可以减小切换所需的临界电流。然而，极化因子是材料的基本性质，因此，难以增加极化因子。可选择地，可以使用多层结构。
图1是传统的磁性存储装置的结构的剖视图。
参照图1，传统的磁性存储装置包括顺序形成在基底100上的第一反铁磁层101、第一固定层102、第一非磁性层103、自由层104。第二非磁性层105、第二固定层106、第二反铁磁层107顺序形成在自由层104上。通过第一反铁磁层101将第一固定层102的磁化方向固定为沿第一方向，同时，通过第二反铁磁层107将第二固定层106的磁化方向固定为沿第二方向。可以沿任意方向来改变自由层104的磁化方向。第一非磁性层103由Cu形成。第一固定层102、第一非磁性层103、自由层104具有传统的巨磁电阻(GMR)结构。
第二非磁性层105由Al形成，自由层104、第二非磁性层105、第二固定层106具有隧穿磁电阻(tunneling magneto-resistance，TMR)结构。
已经有报道称，GMR结构和TMR结构彼此连接的双自旋过滤(dual spinfilter)结构的临界电流密度可以低于简单GMR结构和TMR结构的临界电流密度。然而，在双自旋过滤结构中，可以沿相对的方向布置第一固定层102和第二固定层106，因此，存在磁电阻(MR)消失的问题。此外，为了减小双自旋过滤结构的临界电流密度，可以形成(电阻彼此不同的)第一非磁性层103和第二非磁性层105，或者可以将第二固定层106的磁化方向布置为与第一固定层102的磁化方向垂直而不是与第一固定层102的磁化方向相对。然而，无论如何，对于减小的MR的补偿都是相对难的。
发明内容
示例实施例涉及至少一种磁性随机存取存储装置，例如，抑制磁电阻(MR)的减小和/或使磁电阻(MR)的减小最小化和/或减小临界电流密度(Jc)的磁性随机存取存储装置，所述磁性随机存取存储装置的数据写入和读取方法、驱动所述磁性存储装置以写入和读取信息的方法。
示例实施例提供这样的结构的磁性存储装置，其中，可以在抑制磁电阻(MR)的减小和/或使磁电阻(MR)的减小最小化的同时减小所述磁性存储装置的临界电流密度。
根据至少一个示例实施例，一种磁性存储装置包括形成在下结构上的固定层、信息存储层、自由层。
根据至少一些示例实施例，反铁磁层可以布置在下结构和固定层之间。固定层可以具有由反铁磁层固定的磁化方向。第一非磁性层可以布置在固定层和信息存储层之间。第二非磁性层可以布置在信息存储层和自由层之间。自由层可以形成在第二非磁性层上，使得自由层的磁化方向可以改变。
根据至少一些示例实施例，第一非磁性层和第二非磁性层可以由MgO等形成。下结构可以为开关(例如，晶体管)结构。所述磁性存储装置还可以包括顺序形成在自由层上的位线、层间绝缘层、写入线。
根据至少一些示例实施例，所述磁性存储装置还可以包括形成在自由层上的磁性层。磁性层可以包括磁化方向彼此不同的至少两个畴。
根据至少一些示例实施例，一种磁性存储装置可以包括：反铁磁层；固定层，在反铁磁层上；信息存储层，在固定层上；自由层，在信息存储层上。
固定层的磁化方向可以由反铁磁层固定，所述磁性存储装置还可以包括：第一非磁性层，形成在固定层上，其中，信息存储层形成在第一非磁性层上；第二非磁性层，其中，自由层形成在第二非磁性层上，使得自由层的磁化方向可以改变。
信息存储层、固定层、自由层中的至少一个可以具有合成反铁磁(SAF)结构。SAF结构可以包括第一铁磁层、中间层、第二铁磁层。中间层可以包含从由Ru、Cr、Cu组成的组中选择的任意一种。第一非磁性层和第二非磁性层均可以包含MgO。反铁磁层可以形成在开关结构上。所述磁性存储装置还可以包括顺序形成在自由层上的位线、层间绝缘层、写入线。所述磁性存储装置还可以包括形成在自由层上并包括磁化方向彼此不同的至少两个畴的磁性层。
至少一个其它的示例实施例提供一种磁性存储装置的信息写入和读取方法，所述磁性存储装置包括形成在下结构上的固定层、信息存储层、自由层。至少根据本示例实施例，在沿与固定层的磁化方向相对的方向设置自由层的磁化方向之后，可以将信息写入信息存储层。在沿与固定层的磁化方向相同的方向设置自由层的磁化方向之后，可以从信息存储层读取信息。
至少一个其它的示例实施例提供一种操作磁性存储装置的方法。至少根据本示例实施例，在沿第一磁化方向设定自由层的磁化方向之后，可以从信息存储层读取信息或将信息存储到信息存储层。当第一磁化方向与固定层的磁化方向相对时，可以存储信息，当第一磁化方向与固定层的磁化方向相同时，可以读取信息。
根据至少一些示例实施例，写入线可以形成在自由层上，可以由施加到写入线的电流产生的磁场来改变自由层的磁化方向。
根据至少一些其它的示例实施例，磁性层可以形成在自由层上。磁性层可以包括至少两个畴。畴均可以具有不同的磁化方向。在移动了磁性层的畴壁之后，自由层的磁化方向可以改变。
至少一些其它的示例实施例提供一种驱动磁性存储装置以写入并读取信息的方法，所述磁性存储装置包括固定层、具有SAF结构的信息存储层、自由层，所述方法包括：通过沿与固定层的磁化方向相同的方向磁化自由层，来将信息写入到信息存储层；通过沿与固定层的磁化方向相反的方向磁化自由层，来从信息存储层读取信息。
磁性存储装置还可以包括形成在自由层上的写入线，所述方法还可以包括：由提供到写入线的电流产生的磁场来改变自由层的磁化方向。磁性存储装置还可以包括形成在自由层上的磁性层，磁性层包括磁化方向彼此不同的至少两个畴，所述方法还可以包括：在移动磁性层的畴壁之后改变自由层的磁化方向。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明的示例实施例，本发明将变得更明显，在附图中：
图1是传统磁性存储装置的结构的剖视图；
图2是根据示例实施例的磁性存储装置的结构的剖视图；
图3是根据示例实施例的连接到晶体管的磁性存储装置的结构的剖视图；
图4是根据另一示例实施例的连接到晶体管的磁性存储装置的结构的剖视图；
图5是根据另一示例实施例的磁性存储装置的剖视图；
图6是根据另一示例实施例的磁性存储装置的剖视图；
图7A和图7B是分别示出根据示例实施例的驱动图5和图6的磁性存储装置的方法的剖视图；
图8是根据另一示例实施例的包括均具有合成反铁磁(SAF)结构的固定层和信息存储层的磁性存储装置的剖视图；
图9是根据另一示例实施例的包括均具有SAF结构的信息存储层和自由层的磁性存储装置的剖视图；
图10是根据另一示例实施例的包括均具有SAF结构的固定层、信息存储层、自由层的磁性存储装置的剖视图；
图11和图12是根据其它示例实施例的磁性存储装置的剖视图。
具体实施方式
现在，将参照示出了本发明一些示例实施例的附图来更充分地描述本发明的各种示例实施例。在附图中，为了清晰起见，夸大了层和区域的厚度。
这里公开了本发明的详细示出的实施例。然而，这里公开的具体结构和功能细节对描述本发明的示例实施例的目的而言仅为代表性的。然而，本发明可以以许多替换形式来实施，并不应该被解释为仅限于这里阐述的实施例。
因此，虽然示例实施例能够具有各种修改和可选择的形式，但是以附图中的示例的方式示出本发明的实施例，并且将在这里进行详细描述。然而，应该理解的是，没有意图将示例实施例限制为公开的具体形式，而是相反，示例实施例意在覆盖所有落入示例实施例范围内的修改、等同物和替换物。在附图的整个描述中，相同的标号表示相同的元件。
应该理解的是，虽然在这里可以使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应该受这些术语限制。这些术语仅被用于区分一个元件与另一元件。例如，在不脱离示例实施例的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，类似地，第二元件可以被称为第一元件。如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任意和所有组合。
此外，应该理解的是，当元件被称为“连接”或“结合”到另一元件时，它可以直接连接或结合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接结合”到另一元件时，不存在中间元件。应该以相同的方式来解释用于描述元件之间的关系的其它词(例如，“在......之间”与“直接在......之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。
此外，应该理解的是，当元件或层被称为“形成在”另一元件或层“上”时，它可以直接或间接地形成在另一元件或层上。即，例如，可以存在中间元件或层。相反，当元件或层被称为“直接形成在”另一元件“上”时，不存在中间元件或层。应该以相同的方式来解释用于描述元件或层之间的关系的其它词(例如，“在......之间”与“直接在......之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。
这里使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不意在限制示例实施例。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式也意在包括复数形式。还应该理解的是，当在这里使用术语“包括”和/或“包含”时，表明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它的特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
还应该注意的是，在一些可选的实施方式中，标注的功能/动作可以以附图中标注的顺序以外的顺序发生。例如，根据有关的功能/动作，连续示出的两个附图实际上可以基本同时地执行，或者有时可以以相反的顺序执行。
图2是根据示例实施例的磁性存储装置的结构的剖视图。
参照图2，磁性存储装置的示例实施例可以包括顺序形成在下结构20上的反铁磁层21、固定层22、第一非磁性层23、信息存储层24。第二非磁性层25和自由层26可以顺序形成在信息存储层24上。
下结构20可以为开关装置或连接到开关装置的电极。开关装置可以为晶体管结构等。反铁磁层21可以由可包含Mn(例如，主要包含Mn或以Mn作为主要成分的)的合金形成，例如，IrMn、FeMn、NiMn等。固定层22可以由NiFe、CoFe等形成。可以通过反铁磁层21沿一定方向固定固定层22的磁化方向。第一非磁性层23和第二非磁性层25可以由MgO等形成。信息存储层24和自由层26可以由诸如NiFe、CoFe等的铁磁材料形成。信息存储层24和自由层26的磁化方向可以被改变(例如，信息存储层24和自由层26的磁化方向为可以改变的或可以变化的)。
现在，将描述根据示例实施例的操作磁性存储装置(例如，从磁性存储装置读取信息或将信息写入磁性存储装置)的方法。
在根据示例实施例的写入信息的方法中，自由层26的磁化方向可以与固定层22的磁化方向相对。结果，在信息存储层24下的固定层22可以具有沿第一方向的磁化方向，而在信息存储层24上的自由层26可以具有沿第二方向的磁化方向。通过将自旋极化电流施加到信息存储层24，可以将信息存储层24的磁化方向设置为沿第一方向或第二方向。因此，可以在信息存储层24中存储与第一方向或第二方向相关的信息。因此，根据示例实施例，可以将写入操作所需的临界电流密度减小为大约一半。
在根据示例实施例的读取信息的方法中，自由层26的磁化方向可以与固定层22的磁化方向相同。通过将电流施加到信息存储层24的两端，可以测量信息存储层24的电阻。如果信息存储层24的磁化方向与固定层22的磁化方向相同，则测得(表示例如二进制的1或0的第一种信息的)相对低的电阻。如果信息存储层24的磁化方向与固定层22的磁化方向相对，则测得(表示例如二进制的0或1的第二种信息的)相对高的电阻。因此，可以读取记录在信息存储层24中的数据。
至少根据本示例实施例的磁性存储装置可以包括布置在固定层22上的信息存储层24和自由层26。根据示例实施例的磁性存储装置可以通过改变自由层26的磁化方向来执行信息的存储和读取过程。因此，至少根据一些示例实施例的磁性存储装置可以减小(例如，极大地减小)临界电流密度，同时抑制磁电阻(MR)的减小和/或使磁电阻(MR)的减小最小化。
现在，将描述改变自由层26的磁化方向的方法的示例实施例。
根据至少一个示例实施例，写入线可以形成在自由层26上。当将电流施加到写入线时，可以利用在写入线中产生的磁场来控制自由层26的磁化方向。自由层26的(由外部磁场而使自由层26的磁化方向改变的)矫顽力Hc可以相对小。信息存储层24的矫顽力Hc可以大于自由层26的矫顽力Hc。图3中示出了包括写入线的磁性存储装置的结构。
图3是根据示例实施例的连接到晶体管的磁性存储装置的结构的剖视图。
参照图3，包括栅极绝缘层32和栅电极33的晶体管结构可以形成在基底30上。基底30可以包括形成在基底30中的源极31a和漏极31b。第一层间绝缘层35可以形成在所述晶体管结构上。接触塞34可以形成在第一层间绝缘层35的一定区域中(例如，接触塞34可以形成在穿过第一层间绝缘层35的孔中)。接触塞34可以与漏极31b对应并接触漏极31b。下电极36可以形成在接触塞34上。多层结构或膜可以形成在下电极36上。所述多层膜可以包括顺序形成的反铁磁层21、固定层22、第一非磁性层23、信息存储层24、第二非磁性层25、自由层26。第二层间绝缘层37可以形成在所述多层结构的侧部上。位线38可以形成在自由层26上。第三层间绝缘层39可以形成在位线38上。写入线40可以形成在第三层间绝缘层39上。写入线40可以与自由层26(例如，在尺寸方面)对应。
根据写入线40中流动的电流的方向，可以产生磁场。自由层26的磁化方向可以根据产生的磁场改变。
至少根据一个其它的示例实施例，改变自由层26的磁化方向的方法利用畴壁运动现象。在这样的示例中，具有磁化方向彼此不同的畴的磁性层可以形成在自由层26上，可以使具有期望磁化方向的畴向自由层26移动。所述磁性层可以具有第一部分和第二部分，第一部分和第二部分均可以具有不同的磁化方向。第一部分和第二部分可以被畴壁分开。然后，可以将具有期望磁化方向的畴移动到自由层26中。图4中示出了根据示例实施例的包括具有磁化方向彼此不同的畴的磁性层的磁性存储装置的示例结构。
图4是根据另一示例实施例的磁性存储装置的结构的剖视图。图4中示出的磁性存储装置可以连接到晶体管。
参照图4，可以准备包括源极41a和漏极41b的基底40。栅极绝缘层42和栅电极43可以形成在基底40上。栅极绝缘层42可以形成为接触源极41a和漏极41b的一部分。第一层间绝缘层45可以形成在晶体管结构上。接触塞44可以形成在第一层间绝缘层45的一定区域中。接触塞44可以与漏极41b对应并接触漏极41b。下电极46可以形成在接触塞44上。多层膜可以形成在下电极46上。所述多层结构或膜可以包括顺序形成的反铁磁层21、固定层22、第一非磁性层23、信息存储层24、第二非磁性层25、自由层26。第二层间绝缘层47可以形成在所述多层结构的侧部上。包括磁化方向彼此不同的畴的磁性层48可以形成在自由层26和第二层间绝缘层47上。畴壁W可以形成在畴之间。畴壁W的特性为沿与电子运动所沿的方向相对的方向运动，即，畴壁W的特性为沿电流的方向运动。
现在，将描述沿右方向(图4中的磁性层48的左部的方向)磁化自由层26的方法的示例实施例。
仍然参照图4，通过将电流施加到磁性层48，可以(沿右方向)使磁性层48中的畴壁W向自由层26的右侧移动。可以移动畴壁W，从而可以将磁化方向为沿右方向的畴定位于自由层26上(例如，可以将磁化方向为沿右方向的畴整个地定位于自由层26上)。例如，可以将具有右磁化方向的畴定位为覆盖自由层26的上表面。然后，通过将电流施加到磁性层48的左侧和自由层26，可以将磁性层48的畴移动到自由层26。
为了沿左方向(图4中的磁性层48的右部的方向)磁化自由层26，可以通过将电流施加到磁性层48(沿左方向)将磁性层48的畴壁W向自由层26的左侧移动。可以移动畴壁W，从而将磁性层48的磁化方向为沿左方向的畴定位于自由层26上(例如，将磁性层48的磁化方向为沿左方向的畴整个地定位于自由层26上)。例如，可以将具有左磁化方向的畴定位为覆盖自由层26的上表面。通过将电流施加到磁性层48的右侧和自由层26，可以将磁性层48的畴移动到自由层26。
图5是根据示例实施例的磁性存储装置的剖视图。参照图5，固定层12、第一非磁性层13、信息存储层14顺序形成在反铁磁层11上。第二非磁性层15和自由层16顺序形成在信息存储层14上。
现在，将说明用于形成图5的磁性存储装置的层的材料。反铁磁层11通常由包含Mn的合金形成。例如，反铁磁层11可以由IrMn、FeMn或NiMn形成。反铁磁层11可以形成在开关元件上或形成在连接到开关元件的电极上。所述开关元件可以为晶体管结构。由反铁磁层11固定了磁化方向的固定层12由包含Ni、Co或Fe的铁磁材料形成。例如，固定层12可以由NiFe、CoFe、NiFeB、CoFeB、NiFeSiB或CoFeSiB形成。第一非磁性层13和第二非磁性层15均可以由MgO形成。磁化方向可以改变的信息存储层14和自由层16均可以由包含Ni、Co或Fe的铁磁材料形成。例如，信息存储层14和自由层16均可以由NiFe、CoFe、NiFeB、CoFeB、NiFeSiB或CoFeSiB形成。
现在，将参照图7A来详细说明驱动图5的磁性存储装置以写入和读取信息的方法。图7A是示出根据示例实施例的驱动图5的磁性存储装置的方法的剖视图。将首先说明写入操作。为了沿与固定层12的磁化方向相对的方向磁化自由层，施加外部磁场或外部电场。在示例实施例中，沿第一方向磁化固定层12，沿第二方向磁化自由层16。
从固定层12或自由层16将自旋极化电子沿一个方向施加到信息存储层14。如果从固定层12施加自旋极化电子，则信息存储层14被沿第一方向磁化，如果从自由层16施加自旋极化电子，则信息存储层14被沿第二方向磁化。在图7A中，从自由层16将自旋极化电子施加到信息存储层14。因此，可以沿第一方向或第二方向将信息存储在信息存储层14中。因此，可以减小写入操作所需的临界电流密度。
现在，将说明读取操作。沿与固定层12的磁化方向相同的方向磁化自由层16。将电流提供到信息存储层14，并测量信息存储层14的电阻。如果信息存储层14的磁化方向与固定层12和自由层16中的每个层的磁化方向相同，则测得相对低的电阻。如果信息存储层14的磁化方向与固定层12和自由层16中的每个层的磁化方向相对，则测得相对高的电阻。因此，可以读取通过信息存储层14的磁化方向表示的存储的数据。
结果，因为信息存储层14和自由层16形成在固定层12上，所以通过改变自由层16的磁化方向来存储并再现信息，图5的磁性存储装置可以将磁电阻(MR)的减小最小化，并且可以显著地降低临界电流密度。
图6是根据另一示例实施例的包括具有合成反铁磁(SAF)结构的信息存储层14的磁性存储装置的剖视图。参照图6，固定层12、第一非磁性层13、信息存储层14形成在反铁磁层11上。第二非磁性层15和自由层16顺序形成在信息存储层14上。信息存储层14具有SAF结构。即，信息存储层14可以具有第一磁性层14a、中间层14b、第二磁性层14c顺序形成的结构。因为信息存储层14具有SAF结构，所以可以在抗磁场方面保持高的稳定性。
现在，将参照图7B来说明驱动图6的磁性存储装置以写入并读取信息的方法。图7B是示出根据示例实施例的驱动图6的磁性存储装置的方法的剖视图。
首先，将描述写入操作。沿与固定层12的磁化方向相同的第一方向磁化自由层16。从固定层12或自由层16将自旋极化电子施加到信息存储层14。如果从固定层12将自旋极化电子施加到信息存储层14，则信息存储层14的第一磁性层14a被沿第一方向磁化，并且信息存储层14的第二磁性层14c被沿第二方向磁化。如果从自由层16将自旋极化电子施加到信息存储层14，则信息存储层14的第二磁性层14c被沿第一方向磁化，并且信息存储层14的第一磁性层14a被沿第二方向磁化。在图7B中，从自由层16将自旋极化电子施加到信息存储层14。
现在，将说明读取操作。沿与固定层12的磁化方向相对的方向磁化自由层16。例如，沿第一方向磁化自由层16，沿第二方向磁化固定层12。将电流提供到信息存储层14并测量电阻。例如，如果自由层16和第二磁性层14c的磁化方向是第一方向，则测得相对低的电阻。在示例实施例中，因为固定层12和第一磁性层14a的磁化方向相同，所以在固定层12和第一磁性层14a之间也测得相对低的电阻。然而，如果自由层16和第二磁性层14c的磁化方向彼此相对，并且如果固定层12和第一磁性层14a的磁化方向彼此相对，则测得相对高的电阻。因此，可以读取通过信息存储层14的磁化方向表示的存储的数据。
结果，因为信息存储层14和自由层16形成在固定层12上，所以通过改变自由层16的磁化方向以存储并再现信息，图6的磁性存储装置可以使MR的减小减轻或最小化，并且图6的磁性存储装置可以减小临界电流密度。不仅信息存储层14可以具有SAF结构，固定层12或自由层16也可以具有SAF结构。例如，固定层12、信息存储层14、自由层16中的至少一个可以具有SAF结构。
图8是根据另一示例实施例的包括均具有SAF结构的信息存储层14和固定层12的磁性存储装置的剖视图。参照图8，具有SAF结构的固定层12形成在反铁磁层11上。第一非磁性层13形成在固定层12上。具有SAF结构的信息存储层14形成在第一非磁性层13上。第二非磁性层15和自由层16形成在信息存储层14上。固定层12包括第一固定磁性层12a、中间层12b、第二固定磁性层12c。第一固定磁性层12a和第二固定磁性层12c的磁化方向保持彼此相对。
图9是根据另一示例实施例的包括均具有SAF结构的信息存储层14和自由层16的磁性存储装置的剖视图。参照图9，固定层12形成在反铁磁层11上。第一非磁性层13形成在固定层12上。具有SAF结构的信息存储层14形成在第一非磁性层13上。第二非磁性层15和具有SAF结构的自由层16形成在信息存储层14上。自由层16包括第一自由磁性层16a、中间层16b、第二自由磁性层16c。第一自由磁性层16a和第二自由磁性层16c的磁化方向保持彼此相对。
图10是根据另一示例实施例的包括均具有SAF结构的固定层12、信息存储层14、自由层16的磁性存储装置的剖视图。参照图10，具有SAF结构的固定层12形成在反铁磁层11上。第一非磁性层13形成在固定层12上。具有SAF结构的信息存储层14形成在第一非磁性层13上。第二非磁性层15和具有SAF结构的自由层16形成在信息存储层14上。
如果信息存储层14具有SAF结构，则在抗外部磁场方面可以实现的稳定的磁化方向。如果固定层12和信息存储层14均具有SAF结构，则可以降低杂散场并可以更容易地控制自由层16。固定层12的第一固定磁性层12a和第二固定磁性层12c的厚度彼此相等，信息存储层14的第一磁性层14a和第二磁性层14c的厚度可以彼此相等，从而补偿净力矩。如果自由层16具有SAF结构，则可以控制矫顽力Hc。自由层16的第一自由磁性层16a和第二自由磁性层16c的厚度可以彼此不同，从而利用外部磁场来作用于净力矩。
现在，将说明用于形成图8至图10的每个磁性存储装置的层的材料。反铁磁层11通常由包含Mn的合金形成。例如，反铁磁层11可以由IrMn、FeMn或NiMn形成。反铁磁层11可以形成在开关元件上或形成在连接到开关元件的电极上。开关元件可以为晶体管结构。磁化方向由反铁磁层11固定的固定层12由包含Ni、Co或Fe的铁磁材料形成。例如，固定层12可以由NiFe、CoFe、NiFeB、CoFeB、NiFeSiB或CoFeSiB形成。磁化方向可以改变的自由层16可以由例如NiFe或CoFe的铁磁材料形成。
固定层12的第一固定磁性层12a和第二固定磁性层12c、信息存储层14的第一磁性层14a和第二磁性层14c、自由层16的第一自由磁性层16a和第二自由磁性层16c可以由包含Ni、Co或Fe的铁磁材料形成。例如，固定层12的第一固定磁性层12a和第二固定磁性层12c、信息存储层14的第一磁性层14a和第二磁性层14c、自由层16的第一自由磁性层16a和第二自由磁性层16c可以由NiFe、CoFe、NiFeB、CoFeB、NiFeSiB或CoFeSiB形成。中间层12b、14b、16b可以由Ru、Cr或Cu形成。
现在，将说明改变图5和图6的每个磁性存储装置的自由层16的磁化方向的方法。改变自由层16的磁化方向的第一方法包括：在自由层16上形成写入线、使电流流过写入线以产生磁场；利用所述磁场来调节自由层16的磁化方向。自由层16的矫顽力Hc可以为足够小，以根据外部磁场来改变自由层16的磁化方向。信息存储层14的矫顽力可以大于自由层16的矫顽力。图11中示出了包括这样的写入线的磁性存储装置。
图11是根据另一示例实施例的磁性存储装置的剖视图。参照图11，包括栅极绝缘层302和栅电极303的晶体管结构形成在包括源极301a和漏极301b的基底300上。第一层间绝缘层305形成在所述晶体管结构上，接触塞304形成在第一层间绝缘层305中，以与漏极301b对应。下电极306形成在接触塞304上，包括顺序堆叠的反铁磁层11、固定层12、第一非磁性层13、信息存储层14、第二非磁性层15、自由层16的多层结构形成在下电极306上。第二层间绝缘层307形成在所述多层结构旁。位线308形成在自由层16上，第三层间绝缘层309形成在位线308上。用于保护自由层16的保护层(未示出)可以选择性地形成在自由层和位线308之间。
写入线310形成在第三层间绝缘层309上，以与自由层16对应。固定层12、信息存储层14、自由层16均可以具有SAF结构。可以根据流过写入线310的电流所沿的方向产生磁场，可以通过产生的磁场来改变自由层16的磁化方向。作为参考，如果信息存储层14具有SAF结构并且自由层16具有单层结构，则信息存储层14可以形成为具有相对于位线308成大约30°至大约60°的易磁化轴，以减小自由层16的磁化方向的改变对信息存储层14的磁化方向的影响。
改变自由层16的磁化方向的第二方法是利用畴壁运动。第二方法包括：在自由层16上形成具有磁化方向不同的畴的磁性层；将具有期望的磁化方向的畴移动到自由层16中。图12中示出了包括这样的具有磁化方向不同的畴的磁性层的磁性存储装置。
图12是根据另一示例实施例的磁性存储装置的剖视图。参照图12，基底30包括源极31a和漏极31b，包括栅极绝缘层32和栅电极层33的晶体管结构形成在基底30上，以接触源极31a和漏极31b。第一层间绝缘层35形成在所述晶体管结构上，接触塞34形成在第一层间绝缘层35中，以与漏极31b对应。下电极36形成在接触塞34上，包括顺序堆叠的反铁磁层11、固定层12、第一非磁性层13、信息存储层14、第二非磁性层15、自由层16的多层结构形成在下电极36上。第二层间绝缘层37形成在所述多层结构旁。包括磁化方向不同的畴的磁性层38形成在自由层16和第二层间绝缘层37上。固定层12、信息存储层14、自由层16均可以具有SAF结构。
磁性层38可以包括磁化方向彼此相对的畴，在畴之间具有畴壁W。畴壁W沿与电子流动方向相对的电流方向运动。例如，如果需要磁化方向为朝右的磁化方向，则将电流施加到磁性层38，以在自由层16上将畴壁W向右移动。因此，具有右磁化方向的畴被定位于自由层16上。将电流提供到磁性层38的右侧和自由层16，以将磁性层38的畴移动到自由层16。如果需要磁化方向为朝左的磁化方向，则将电流提供到磁性层38，以使畴壁W向左移动并在自由层16上。因此，具有左磁化方向的畴被定位于自由层16上。然后，将电流提供到磁性层38的右侧和自由层16，以将磁性层38的畴移动到自由层16。
结果，根据示例实施例，因为所述磁性层沿与固定层的磁化方向相同或相对的方向磁化自由层，所以可以将信息写入信息存储层或从信息存储层读取信息，并且与传统的磁性存储装置相比，可以减小(例如，极大地减小)临界电流密度。因为通过改变自由层的磁化方向来存储并再现信息，所以可以将MR的减小最小化，并可以减小临界电流密度。因为信息存储层具有SAF结构，所以所述磁性存储装置在抗外部磁场方面可以是稳定的。
另外，通过控制自由层的磁化方向与固定层的磁化方向相同或相对，根据示例实施例的磁性存储装置可以在信息存储层中写入信息，或可以从信息存储层读取信息。结果，与传统的磁性存储装置相比，可以减小(例如，极大地减小)写入和读取过程中的临界电流密度。
虽然已经参照本发明的示例实施例示出并描述了本发明，但是本发明不应该被解释为限于这样的实施例。例如，根据实施例的磁性存储装置还可以包括可选择的缓冲层、底层、顶层。本领域技术人员知道的是，例如，根据示例实施例的磁性存储装置还可以包括可选择的缓冲层、下层和/或覆盖层。因此，范围不是由示例实施例的详细描述而是由权利要求进行限定的。

Claims (25)

1.一种磁性存储装置，包括：
固定层、信息存储层、自由层，顺序形成在下结构上；
反铁磁层，布置在下结构和固定层之间，反铁磁层固定固定层的磁化方向；
第一非磁性层，布置在固定层和信息存储层之间；
第二非磁性层，布置在信息存储层和自由层之间，自由层布置在第二非磁性层上，使得自由层的磁化方向能够改变，
其中，所述磁性存储装置被配置成通过从自由层将自旋极化电子施加到信息存储层来将信息写入到信息存储层。
2.如权利要求1所述的磁性存储装置，其中，第一非磁性层和第二非磁性层由MgO形成。
3.如权利要求1所述的磁性存储装置，其中，下结构是开关结构。
4.如权利要求1所述的磁性存储装置，所述磁性存储装置还包括：
位线、层间绝缘层、写入线，顺序形成在自由层上。
5.如权利要求1所述的磁性存储装置，所述磁性存储装置还包括：
磁性层，形成在自由层上，磁性层包括磁化方向彼此不同的至少两个畴。
6.一种磁性存储装置，包括：
反铁磁层；
固定层，在反铁磁层上，其中，反铁磁层固定固定层的磁化方向；
信息存储层，在固定层上；
自由层，在信息存储层上；
第一非磁性层，形成在固定层上，其中，信息存储层形成在第一非磁性层上；
第二非磁性层，其中，自由层形成在第二非磁性层上，使得自由层的磁化方向能够改变，
其中，所述磁性存储装置被配置成通过从自由层将自旋极化电子施加到信息存储层来将信息写入到信息存储层。
7.如权利要求6所述的磁性存储装置，其中，信息存储层、固定层、自由层中的至少一个具有合成反铁磁结构。
8.如权利要求7所述的磁性存储装置，其中，信息存储层具有合成反铁磁结构。
9.如权利要求7所述的磁性存储装置，其中，固定层具有合成反铁磁结构。
10.如权利要求7所述的磁性存储装置，其中，自由层具有合成反铁磁结构。
11.如权利要求7所述的磁性存储装置，其中，合成反铁磁结构包括顺序堆叠的第一铁磁层、中间层、第二铁磁层。
12.如权利要求11所述的磁性存储装置，其中，中间层包含从由Ru、Cr、Cu组成的组中选择的任意一种。
13.如权利要求6所述的磁性存储装置，其中，第一非磁性层和第二非磁性层由MgO形成。
14.如权利要求6所述的磁性存储装置，其中，反铁磁层形成在开关结构上。
15.如权利要求6所述的磁性存储装置，所述磁性存储装置还包括：
位线、层间绝缘层、写入线，顺序形成在自由层上。
16.如权利要求6所述的磁性存储装置，所述磁性存储装置还包括：
磁性层，形成在自由层上，磁性层包括磁化方向彼此不同的至少两个畴。
17.一种磁性存储装置的信息写入和读取方法，所述磁性存储装置包括：
形成在下结构上的固定层、信息存储层、自由层；
反铁磁层，布置在下结构和固定层之间，反铁磁层固定固定层的磁化方向；
第一非磁性层，布置在固定层和信息存储层之间；
第二非磁性层，布置在信息存储层和自由层之间，自由层布置在第二非磁性层上，使得自由层的磁化方向能够改变，
所述方法包括：
在沿与固定层的磁化方向相对的方向设置自由层的磁化方向之后，将信息写入信息存储层；
在沿与固定层的磁化方向相同的方向设置自由层的磁化方向之后，从信息存储层读取信息。
18.如权利要求17所述的方法，其中，磁性存储装置包括布置在自由层上的写入线，根据由施加到写入线的电流产生的磁场来改变自由层的磁化方向。
19.如权利要求17所述的方法，其中，磁性存储装置包括布置在自由层上的磁性层，磁性层包括磁化方向不同的至少两个畴，在移动了磁性层的畴壁之后自由层的磁化方向被改变。
20.一种驱动磁性存储装置以写入并读取信息的方法，所述磁性存储装置包括：
反铁磁层；
固定层，在反铁磁层上，其中，反铁磁层固定固定层的磁化方向；
信息存储层，在固定层上；
自由层，在信息存储层上；
第一非磁性层，形成在固定层上，其中，信息存储层形成在第一非磁性层上；
第二非磁性层，其中，自由层形成在第二非磁性层上，使得自由层的磁化方向能够改变，
所述方法包括：
通过沿与固定层的磁化方向相对的方向磁化自由层，来将信息写入到信息存储层；
通过沿与固定层的磁化方向相同的方向磁化自由层，来从信息存储层读取信息。
21.如权利要求20所述的方法，其中，磁性存储装置还包括形成在自由层上的写入线，所述方法还包括：
由提供到写入线的电流产生的磁场来改变自由层的磁化方向。
22.如权利要求20所述的方法，其中，磁性存储装置还包括形成在自由层上的磁性层，磁性层包括磁化方向彼此不同的至少两个畴，所述方法还包括：
在移动磁性层的畴壁之后改变自由层的磁化方向。
23.如权利要求20所述的方法，其中，固定层和自由层之一具有合成反铁磁结构。
24.如权利要求23所述的方法，其中，合成反铁磁结构包括第一铁磁层、中间层、第二铁磁层。
25.一种驱动磁性存储装置以写入并读取信息的方法，所述磁性存储装置包括：
反铁磁层；
固定层，在反铁磁层上，其中，反铁磁层固定固定层的磁化方向；
信息存储层，在固定层上；
自由层，在信息存储层上；
第一非磁性层，形成在固定层上，其中，信息存储层形成在第一非磁性层上；
第二非磁性层，其中，自由层形成在第二非磁性层上，使得自由层的磁化方向能够改变，
所述方法包括：
通过沿与固定层的磁化方向相同的方向磁化自由层，来将信息写入到信息存储层；
通过沿与固定层的磁化方向相对的方向磁化自由层，来从信息存储层读取信息。
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